压力处的覆盖气体开放的回路。
[0033]在共同所有且共同待审的名称为“Concentrating Solar Power Methods andSystems with Liquid-Solid Phase Change Material for Heat Transfer，，( ‘‘具有用于传热的固液相变材料的聚光太阳能发电方法及系统”)的PCT专利申请PCT/US2012/045425中描述了以使用固液相变材料作为传热材料为特征的一些CSP系统，上述申请的内容并入本文用于本文公开的所有事项。
[0034]如本文限定的，固液相变材料是在较冷的操作温度下以固相存在但在较热的操作温度下熔化成液相的材料。利用相变材料作为CSP系统的传热材料的一个益处是通过利用合适的传热材料的潜热和显热实现的高能量密度。合适的传热材料的能量储存密度通过利用相变过渡储存的潜热通常可以是两倍的。
[0035]适于用作传热材料的相变材料包括盐类、有机聚合物和无机聚合物、以及金属。特别地，传热材料可以包括硝酸盐、碳酸盐、溴化物、氯化物、氟化物、氢氧化物或硫酸盐、锌、硼、铍、铅、镁、铜、铝、锡、锑、锰、铁、镍或硅、任何金属、塑料、蜡质有机物的合金、或能够以明显和潜在的形式储存热的上面内容的任何可混合或不能混合的混合物。传热材料的具体选择通过具体应用要求来确定。本文描述的各种流量控制系统及方法可以适于在开放的传热回路的一些点处经历固液相变的任何类型的传热材料。
[0036]如上面所指出的，现有接收器设计通常包括为封闭的传热流体回路的部分的接收器管道。在封闭的回路设计中，固定流量的流体进入和离开接收器因为通过接收器的传热流体体积守恒并且不允许另外的体积进入接收器。封闭的传热流体回路设计的另一特征是缺乏在正常操作期间在回路的任何点处传热流体与环境大气之间的大量连通。因此，在常规的封闭的回路设计中，离开接收器的传热流体流量必须等于传热流体入口流量。
[0037]相反地，一些系统特别是利用固/液相变材料作为传热材料的系统不能容易地构造成具有封闭的传热材料回路。例如，如果相变传热材料以短条、棒或其他相对较大的固体结构的形式进入接收器，那么开放的接收器系统是必须的。在以将固体相变传热材料输入至接收器为特征的系统中的一些实施方式但并非所有实施方式中，离开接收器的液体传热材料的流量独立于进入接收器的固态传热材料的流量。差异可以通过填充接收器的空气弥补。因此，如果固体传热材料以10kg/s加入至接收器，但重力使加热后的液体传热材料以20kg/s排出，相变材料在接收器管道中的高度快速下降从而形成干涸状态。在任何CSP设计中通常必须避免传热材料干涸，因为空的接收器管道会快速过热并且不能使用。无论在接收器中的任何固体的位置或其他传热材料输入的附加如何，如本文公开的被动液位平衡确保了液位保持基本足够高以避免干涸或部分干涸状态，。
[0038]因此，本文公开的利用固体传热材料输入的一些系统和方法构造成使固体入口流量和液体出口流量平衡以在CSP操作期间保持接收器管道中恒定的填充液位。在构造成将液体输入容纳至接收器的接收器设计的其他公开的实施方式中，液体传热材料的流入对出口处的有效水头压力有直接影响，并且因此对离开接收器的流量有直接影响，即使传热材料回路不构造成封闭回路亦是如此。
[0039]适于用作传热材料的相变材料的一些特性使平衡的入口流量控制和出口流量控制存在问题。例如，使用相变材料如金属合金作为传热材料的主要动机中的一个动机是有实现足够高的CSP操作温度的能力。遗憾的是，材料腐蚀性在高温下常常加剧。因此，构造成在高温下和高度腐蚀环境下操作的系统必须使用特殊材料以容纳并且控制熔化的相变材料。特别地，金属部件在750°C以上在循环热应力下并且当面对高腐蚀时具有非常短的使用寿命。因此，使用常规金属泵或阀的简单流量控制方法不能适用于实施构造成使用固液相变传热材料的CSP接收器。
[0040]考虑到上述挑战，在图1中示出了在开放的传热材料回路中实现流量平衡的一个系统及方法。图1示出了以具有液位反馈控制的阀102为特征的接收器100。特别地，接收器100以在顶端106处开放的多个接收器管道104为特征。接收器管道104构造成具有装入顶端106的传热材料108的固体短条或棒。在替代性构型中，固体传热材料可以以包括但不限于棒、短条或其他固体形状的替代性形式装入。在操作期间，传热材料在容纳在接收器管道104的太阳光照射区域110内的同时通过集中的太阳光熔化并且加热至工作温度。
[0041]流量控制可以利用与液位传感器114连通的阀102完成。阀102和液位传感器114可以使用任何合适类型的数字信号或模拟信号通信。阀102将包括提供响应于来自液位传感器114的反馈的自动操作的机械化球或门或其他结构。
[0042]液位传感器114可以连续地或周期性地确定熔化传热材料液位。液位传感器114可以在一个或更多个离散点处测量液位。液位传感器114可以根据任何已知的光学、电学、机械或其他感测原理操作并且在一些实例中可以例如利用与每个接收器管道104相关联的一个或更多个传感器实施为一排传感器。在任何构型中，液位传感器检测接收器管道中的熔化的液体传热材料的高度，并且向阀102(或多个阀)提供足以使入口传热材料流量和出口传热材料流量平衡的反馈。
[0043]在图1所示的实施方式中，单个阀102操作性地定位在接收器的降水管116上并且因而与每个接收器管道104流体连通。替代性地，一个或更多个阀可以放置在每个面板的集管(header)出口上或放置在每个接收器管道上。
[0044]在操作期间，当接收器内的液体传热材料液位下降到指定操作流体液位以下时，阀自动部分封闭，其中，指定操作流体液位选择为在通过照射区域110限定的液位上方。相似地，当液位上升到指定操作液位上方时，阀或多个阀部分打开。因此，液体传热材料液位保持在接收太阳辐射通量的区域上方但在操作期间保持在任何接收器管道的开放顶端106下方。
[0045]由任何阀和基于系统或液位控制方法的反馈提出的重大技术挑战是构建能够经受由熔化的、潜在高腐蚀性的传热材料提供的操作环境的阀。已知的过程控制阀通常由钢、镍合金或其他金属铸造出。然而，适于用作相变传热材料的一些材料如铝、硅、氯化物盐以及氟化物盐在高温下对金属是极强腐蚀的。由于阀必须保持紧密密封和中等到高等的控制精度，因此仅允许非常少的腐蚀。
[0046]阀腐蚀潜在地可以通过至少两个替代性方法解决。第一个方法包括通过陶瓷材料制造阀。碳化硅和氮化硅是可以适用于铸造成阀部件的材料的示例。氧化铝是可以适用于加工成阀部件的替代性材料的示例。第二个方法包括对高温金属涂覆陶瓷或可以抗腐蚀的其他金属，但陶瓷或所述可以抗腐蚀的其他金属可能不能表现足够机械强度或具有足够低的成本以证明由所选材料制造出整个阀是合理的。陶瓷涂覆金属的设计的一个示例是347不锈钢阀，其中，浸润阀部件以合适厚度的氮化硼或钽涂覆。
[0047]在开放的传热材料回路中利用或者固体至液体相变传热材料或液体传热材料的CSP系统中的接收器流量控制的替代性方法以使用如图2至8中所示的被动压力平衡系统为特征。例如，在图2和图3的实施方式中，接收器200包括在立管部203中从集管204上升至指定传热材料液位的压力平衡管202。液体传热材料可以从压力平衡管202的上部205朝向与降水管连通的收集管206向下回流。如在图2至图3的实施方式中所示的，压力平衡管202可以在上部205包括提供与接收器入口 210处的压力平衡的开口 208或其他排气结构。因此，液体传热材料将以与传热材料进入接收器管道的速度相同的速度涌入收集/降水管206，从而被动地保持接收器管道212中的液位。
[0048]由上述被动的流量控制方法提出了重要的挑战，因为系统的相对复杂的流动路径必须由为合适温度和能耐受腐蚀的材料构造而成，该材料可以是不同的、难以形成或难以接合的。例如，在图2至图3的实施方式中，从接收器管道212收集传热材料的集流管204具有略微复杂的几何形状，从而不能通过陶瓷材料以低成本且足够强度的方式铸造或加工而成。相应地，集流管204可以由具有抗腐蚀的涂层或衬套的金属制成。压力平衡管202的弯管接头214和上部U形接头可以由陶瓷如碳化硅铸造而成。然而，碳化硅不能焊接至金属，所以必须使用必须能够经受极端且循环的热应力的另一类型的接合方法以附接各种管部段。例如，材料和接合技术的一个代表性组合可以是347不锈钢集流管，该347不锈钢集流管具有钎焊至设置有用于附加强度的金属护套的氧化铝压力平衡管路系统的铸造的氧化铝衬套。
[0049]如图4至图6中所示，实现被动流量控制的替代性方法利用对每个接收器管道306包括单个立管302和出口 304的接收器300。该构型消除了对复杂且难以制造的集管的需要。每个接收器300通常将包括用于吸收太阳辐射的多个主接收器管道306、在接收器管道306的底部处的一对弯管308或“U”形接头，所述一对弯管308或“U”形接头使材料的流反转进入立管302，从而以与太阳入射辐射通量相反的方向回升流到接收器管道306的长度。该立管302终止于再次反转传热材料流的另一对上弯管310或上“U”形接头，从而在出口304位于最小可接受液位处的情况下允许传热材料排入流槽312。
[0050]图4至图6的接收器的实施方式主要包括简单的管道和相对易于制造的弯管并且可以由陶瓷例如同时烧结为基本整体结构的SiC部件构造。替代性地，单个部件可以单独烧制并且然后使用可用的高温粘合剂装配。在每个情况中，图4至图6的接收器300内的元